Introdução do canal de cálcio
Cálcio é a substância de sinalização mais antiga e mais amplamente utilizada na célula e está envolvida na regulação de quase todas as funções biológicas do organismo, tais como contração cardíaca e muscular, transmissão neuronal, aprendizagem e memória, embriogênese e desenvolvimento, proliferação e apoptose celular, divisão e diferenciação celular, metabolismo energético celular, fosforilação proteica e modificação da desfosforilação, e expressão e regulação gênica. A concentração de íons de cálcio livre de citoplasma de células de mamíferos é geralmente controlada a 100-200 nmol/L. O gradiente de concentração de íons de cálcio entre a membrana celular e o citoplasma e organelas é mantido e regulado dinamicamente de acordo com as necessidades das células. Ele depende de uma variedade de canais de íons, bombas de íons e transportadores para trabalhar em conjunto. Embora diferentes células tenham diferentes mecanismos específicos, as moléculas envolvidas no canal de cálcio incluem as membranas celulares e os canais de íons organela da membrana (mediadores dos íons cálcio no citoplasma), transportadores de membranas celulares e organelas (incluindo transporte primário ativo e transporte secundário), proteína tampão de cálcio citoplasmática e organela (armazenamento combinado de íons cálcio), etc. Qualquer anormalidade nas ligações pode causar instabilidade da homeostase do cálcio e causar doenças. A elucidação do mecanismo de regulação do canal de cálcio revela uma das ligações básicas da homeostase de cálcio e a regulação dos processos de vida.
O membro da família do canal de cálcio e suas estruturas respectivamente
O canal de íons de cálcio é um complexo proteico que faz com que os íons de cálcio fluam entre o interior e o exterior da célula, bem como entre a organela e o citoplasma. As fontes de cálcio intracelular são dois tipos de influxo extracelular de cálcio e as reservas intracelulares de cálcio. A entrada de cálcio extracelular na célula pode ser alcançada pelas três vias dos canais receptores seguintes: Canal Cav, canal receptor de cálcio, canal receptor de cálcio, reservatório de cálcio que controla o canal de cálcio, e canal intracelular de cálcio é principalmente através de 4 canais receptores, ou seja, canal IP3R, canal receptor de ryanodina, canal receptor de ácido nicotínico adenina dinucleotídeo fosfato (NAADP), e canal receptor mitocondrial. Além disso, a saída de cálcio no retículo endoplasmático causada por um aumento na concentração intracelular de íons de cálcio é chamada de liberação de Ca2+ induzida por Ca2+. O canal Cav na ilhota β membrana celular e o canal IP3R, canal RYR e canal receptor NAADP na biblioteca intracelular de cálcio são os quatro principais canais receptores envolvidos no processo de secreção de insulina. A entrada extracelular de cálcio na ilhota β é feita principalmente através do canal Cav. De acordo com as características eletrofisiológicas, os canais Cav podem ser divididos em L, P/Q, N, R e T, dos quais os canais Cav tipo L desempenham um papel decisivo no desencadeamento da secreção de insulina. O canal Cav normalmente consiste em 4 ou 5 das subunidades α1, α2δ, β, e γ. A subunidade α1 é a subunidade principal do canal Cav, que constitui o canal de transporte de iões de cálcio. Outras subunidades não participam na formação do canal Cav, mas regulam a abertura do canal da subunidade α1 e, portanto, são chamadas subunidades auxiliares. Entre elas, a subunidade α2δ está ligada por uma subunidade extracelular glicosilada α2 e uma subunidade transmembrana hidrofóbica δ através de uma ligação de dissulfureto. Além disso, a subunidade α2 tem um site de ligação para um antagonista de íons de cálcio, e o antagonista de íons de cálcio dihidropiridina funciona principalmente através da ligação à subunidade α2. IP3R é uma glicoproteína com uma massa molecular relativa de aproximadamente 240000 a 300000. IP3R é dividido em células do tipo I-V, das quais o tipo I-III é expresso em células do ilhéu β, especialmente o tipo III é mais abundante. IP3R é distribuído no retículo endoplasmático das células beta, e estudos confirmaram que o IP3R também está presente nos grânulos de secreção de insulina. IP3R tem a propriedade de se ligar ao trifosfato de inositol (IP3) e de transportar iões de cálcio. IP3R é formado pela associação não covalente de homotetramers, e cada subunidade pode ligar uma molécula de IP3. O IP3R pode ser dividido em três partes: Zona de ligação IP3, zona de regulação de funções e zona de canal de iões de cálcio. A região do canal de cálcio é a base para a formação da estrutura do tetrâmero IP3R, por isso a região do canal de cálcio é muito importante para a estrutura do IP3R. O canal RYR é uma proteína de 45.000 aminoácidos expressa no retículo endoplasmático e no retículo sarcoplasmático com uma massa molecular relativa de 565.000. Dependendo do gene codificador, o RYR é dividido em três subtipos: RYR1, RYR2 e RYR3. Existem principalmente canais RYR2 no retículo endoplasmático de ilhotas β células.
Doença relacionada ao canal de cálcio e o mecanismo do canal de cálcio que trabalha nestas doenças
O canal Ca2+ é uma proteína transmembrana multi-subunidade, e o canal Ca2+ em tensão é geralmente classificado em tipo L (Cav1), tipo P/Q (Cav2).1), tipo N (Cav2.2), e tipo R (Cav2. 3) e tipo T (Cav3) e outros subtipos, distribuídos em neurônios, miocárdio e outras partes, e envolvidos na liberação de neurotransmissores e potencial de ação miocárdica. O estudo descobriu que os antidepressivos estimulam a ginogênese no hipocampo, envolvendo receptores acoplados à proteína G e canais de cálcio dependentes de tensão. Evidências clínicas sugerem que os bloqueadores dos canais de cálcio tipo L podem tratar distúrbios bipolares, esquizofrenia e uma série de doenças neuropsiquiátricas, como a depressão. As moléculas Cav1 e Cav3 estão associadas a emoções roedoras (ansiedade, depressão), comportamento social, e cognição. Estudos descobriram que o bloqueio dos canais de cálcio com bloqueadores seletivos do tipo P e do tipo P/Q ω-viral IVA pode alterar a eficiência da transmissão sináptica, demonstrando que os canais de cálcio do tipo P e P/Q estão envolvidos nos nervos hipocampais. Estudos têm usado o registro de patch-clamp de células inteiras e técnicas de imagem de Ca2+ para estudar o mecanismo de inibição a longo prazo em neurônios piramidais na região hipocampal CA1 de cortes cerebrais agudos e descobriram que os canais de N tipo Ca2+ estão envolvidos nos neurônios hipocampais piramidais e plasticidade sináptica. As células beta ilhotas são muito sensíveis a mudanças na concentração de glicose extracelular. Quando a concentração de glicose extracelular é elevada, a glicose é absorvida para as células beta através do portador de glicose na membrana da célula beta. Através do ciclo de Krebs, a relação ATP/ADP intracelular é aumentada. O canal de potássio ATP sensível é fechado, a saída de K+ é reduzida, a membrana celular β é despolarizada e o canal Cav é aberto, e o influxo externo de cálcio aumenta a concentração intracelular de íons de cálcio, desencadeando a exocitose e β na membrana da vesícula insulínica. A actina na membrana celular atua para fundir a membrana da vesícula de insulina com a membrana celular β para formar um poro de fusão da membrana, e então a insulina na vesícula é liberada para o espaço extracelular através do poro de fusão para realizar o processo de exocitose da célula β. Uma variedade de drogas como 2, 2-dithiodipiridina, thiopental e interleucina 6 podem induzir ou aumentar o efeito da secreção de insulina estimulada pelo glucose-stimulado, todos envolvendo a liberação de íons de cálcio envolvidos no canal IP3R. Como o maior reservatório de cálcio na célula, o retículo endoplasmático tem IP3R e RYR, que desempenham um papel importante na secreção de insulina; na linha celular de insulinoma de rato INS1, a secreção de insulina pode ser inibida pelo esvaziamento do pool de cálcio mediado por IP3. Todos os experimentos acima confirmaram que o canal IP3R está envolvido no processo de secreção de insulina. A RYR está envolvida na glicose e na secreção incremental de peptídeo mediada por β – secreção celular de insulina, e o estado de diabetes está associado com a diminuição da expressão da RYR nas células beta. Além de ser expresso no retículo endoplasmático das células da ilhota pancreática β, o RYR também está presente nas vesículas secretoras de insulina das células beta. A CICR local pode estar envolvida no processo de desencadeamento da exocitose da vesícula de insulina; a secreção de insulina é desencadeada por um aumento da concentração intracelular de cálcio nas células da ilhota β, o que leva à ativação da calmodulina-cinase proteica dependente de calmodulina-cinase, que fosforila RYR2 e produz um fluxo de cálcio reticulum endoplasmático. Este processo CICR é dependente da concentração de glicose. Pensa-se que a fosforilação do RYR2 é um mecanismo que provoca a libertação de reservas intracelulares de cálcio para mediar a secreção de insulina. Dixit et al. derrubaram o canal RYR2 mutante em ratos, imitando a fosforilação do canal tipo RYR2, resultando no aumento do efluxo de cálcio mediado pelo RYR2, que por sua vez produziu hiperinsulinemia basal. Ambos os experimentos demonstram que o RYR está envolvido no processo de secreção de insulina. O canal receptor NAADP também está envolvido na glicose e no aumento da secreção de células beta de insulina mediada pelo peptídeo. Estudos demonstraram que peptídeos secretados incrementais, como o peptídeo 1 tipo glucagon, induzem a liberação de células beta de cálcio. A liberação primária de cálcio é mediada pelo NAADP, e a liberação secundária de cálcio é mediada pela adenosina difosfato cíclica ribose polimerase, que acaba por completar a insulina através da via de troca de nucleotídeos da guanina regulada pela proteína quinase A e a secreção cíclica de adenosina monofosfato. Além disso, o estudo também confirmou que o NAADP não só desempenha um papel na liberação de cálcio induzida pelo peptídeo 1 do tipo glucagon, mas também atua como um sinal de cálcio. Estudos confirmaram que tanto o TPC1 quanto o TPC2 estão envolvidos na liberação de cálcio induzida pelo NAADP, mas o CICR está intimamente relacionado ao TPC2. Em contraste, a expressão do TPC3 inibiu a liberação de cálcio induzida pelo NAADP. Por fim, a expressão do TPC afeta a estrutura e dinâmica dos endossomos, tornando o NAADP um importante agente na regulação do tráfico de vesículas.
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